基于传输线等效模型的变频器系统故障影响分析

鞠 晨，刘法亮，原长锁，段 喻，贺 博

(1.国能神东煤炭集团技术研究院，陕西 榆林 719315；2.西安交通大学电气工程学院，西安 710049)

0 引言

我国的煤炭远景储量达5.5万亿吨，其中己探明的储量有1.2万亿吨，居世界第3位[1]。据有关机构预测，到2050年，煤炭在全国一次能源消费中仍将占到50%。随着煤炭资源整合与企业兼并重组，煤炭企业正在向大型化发展，矿用电气设备势必向着智能化、自动化方向发展[2-3]。大型、大功率电力采矿设备的增加，煤炭行业人工费用比例降低，如何采取合理的措施管理煤炭企业成本，减少煤炭产业的生产成本成为企业关注的一个重要内容[4-6]。而耗电成本占生产成本很大的比例，因此怎样去提高设备对电能的利用率、提高工作效率、降低成本，已成为不可忽视的问题。

而在社会生产和生活中，凭借着结构简单、运行可靠、调速方式简单等一系列优势，异步电机一直处于主导地位[7-9]。在我国电气传动系统中，90%的电机为异步电动机，因此如何提高异步电机的生产效率是人们关注的重点问题[10-12]。而装设合适的变频调速系统是提高生产效率的重要手段[12-15]。近年来，各国学者和工程师对变频调速系统的优化提出了很多建议，并取得不错的效果[16-20]。但是，不管采用何种优化，变频过程中谐波的产生总是不可避免的。这是因为变频器中包含大量非线性元件，在变频过程中其输入端和输出端都会产生高次谐波[21-24]。变频器输出端的电压会在电机定子绕组、转子回路及铁芯中产生附加损耗，导致电机的整体能量转换效率降低。变频器输入端的谐波会通过输入电源线对公用电网产生影响谐波的产生会对系统的正常运行产生不小的冲击。尤其是设备运行监测系统[25-26]，大量的谐波会影响监测设备正常的判断能力，产生错误的信息。

为了更好的分析变频器的接入和网侧传输线路的选取对异步电机系统产生的影响，笔者详细研究了网侧传输线的类型对于矿用变频电机系统的影响，以指导矿用变频电机系统的理论分析和工程设计。与此同时，针对矿用电机系统常见的雷击、两相短路、三相短路、堵转故障和多台矿用电机同时运行时单台故障等各种系统故障可能出现的情况进行了研究。通过对不同传输线模型下系统发生故障时的现象进行比较，观察两者的差异，从而指导故障监测装置正确运行。通过仿真，揭示了由于变频器的引入造成的网侧传输线特性与系统性能之间的重要联系，具有重要的理论意义和工程应用价值。

1 变频系统电路模型

考虑变频器和传输线效应的电机系统示意图见图1。

图1 考虑变频器和传输线效应的电机系统的示意图Fig.1 Schematic of a motor system with converter and transmission line effect

其中假设电网侧为理想电压源，通过变频器将恒频恒压的电网电压转换成频率幅值均可调的交流电，供给异步电机使用。通过变压器和传输线路将电网中的电能同时供给多个带有变频器控制的异步电机，用以分析单个异步电机和多个异步电机的交互影响。为更好的研究传输线路参数模型对系统造成的影响，传输线路采用集总电路和分布电路两种分析方法分别进行分析。电路模型中变压器额定功率为250 MVA，二次侧额定电压660 V；电机额定容量37.3 kW/台；变频器为ZJT-2*250/660型本质安全型变频器；传输电缆电阻为0.132 Ω/km，电抗为0.066 Ω/km。

2 变频系统故障模拟

根据此前分析，针对5类故障进行分析：雷击故障、两相短路故障、三相短路故障、堵转故障、单台电机故障。其中短路故障利用Matlab自带的故障发生器模拟，堵转故障通过典型PID闭环控制中电机输出转矩方程及电路方程联立求解模拟，通过合适的条件判别设置，可实现电机启动过程中因负载转矩大于最大输出转矩而导致的启动阶段堵转及运行中因外部负载突增而导致的运行中堵转。

2.1 雷击故障仿真

雷击是使系统产生过电压的重要原因之一。因此，分析雷击对传输电缆产生的影响具有重要意义[27-29]。本研究分别使用集总参数和分布参数对雷击在输电线所产生的过电压进行了分析。在集总参数模型下雷击所致的输电电缆过电压的A相电压波形随与雷击点距离扫描结果见图2。分布参数模型下雷击所致的输电电缆过电压的A相电压波形随与雷击点距离扫描结果见图3。

图2 集总参数模型下雷击故障Fig.2 Lightning strike fault in lumped parameter model

图3 分布参数模型下雷击故障Fig.3 Lightning strike fault in distributed parameter model

从数值上看，集总参数下计算所得到的过电压幅值在1.63 MV左右，分布参数下计算所得到的过电压幅值在0.85 MV左右，两者之间存在较大的差异；从暂态过程来看，集总参数下的电压波形相较于分布参数的振荡频率更高。

2.2 两相短路故障仿真

2.2.1 参数扫描

为寻找极限情况，对故障发生相位进行参数扫描，故障相位扫描结果见图4、图5。

图4 定子a、b、c相电流故障相位扫描结果Fig.4 Scanning results of current faults for stator a, b, c phase

图5 定子a、b、c相电流传输线线长扫描结果Fig.5 Scanning results of transmission line length for stator a, b, c phase

由图4可知，α=180°时，定子a、b、c相电流变化最为剧烈。基于故障相位扫描结果，对传输线线长进行参数扫描。由图5可知，线长L=200 m定子a、b、c相电流变化最为剧烈。因此，为了更明显的表现传输线路和变频器对系统产生的影响，选定线长为200 m的传输线路进行仿真并假设故障发生相位为180°。

2.2.2 两相短路故障数据分析

两相短路故障变频器侧A相电流的时域波形图和其对应的频谱图见图6。由图6(b)和图6 (e)的比较可知，无论是采用何种参数模型，变频器都会使得系统产生250 Hz、350 Hz的谐波分量。但是对比图6(a) 、图6 (d)的电流波形图可以很明显的观察到，传输线路采用集总参数模型发生两相短路故障时都会有上冲现象产生。并且集总参数传输线含变频器情况下，A相电流的上冲幅值最大。而模型采用分布参数模型情况下，A相电流则不存在上冲现象。

图6 两相短路故障变频器侧A相电流的时域波形图和其对应的频谱图Fig.6 Time-domain waveform and frequency spectrum of A-phase current on converter side with two-phase short-circuit fault

2.3 三相短路故障仿真

2.3.1 参数扫描

为寻找极限情况，对故障发生相位和传输线线长进行参数扫描，故障相位扫描结果见图7 (a)，传输线线长扫描结果见图7 (b)。

图7 参数扫描结果Fig.7 Parameter scanning results

由仿真结果可知，α=0°，线长L=200 m时，定子a、b、c相电流变化最为剧烈。因此，选定线长为200 m的传输线路进行仿真并假设故障发生相位为0°。

2.3.2 三相短路故障数据分析

图8为系统只有一个异步电机处于工作状态时，发生三相短路故障变频器侧A相电流的时域波形图和其对应的频谱图。

由图8(b)、图8 (c)和图8 (e)、图8 (f)的比较可知，含有变频器时，正常运行阶段和图4相同，产生了250 Hz、350 Hz的谐波分量。与两相短路情况不相同，变频器的引入不会使三相短路故障产生新的谐波分量。同时，对比图8(a)、图8 (d)的电流波形图，传输线路采用集总参数模型发生三相短路故障时会有上冲现象产生。而模型采用分布参数模型A相电流则不存在上冲现象。当变频器引入采用分布参数模型的系统时，见图8(d)，故障发生时会产生复杂的振荡现象，这与两相短路的情况大不相同。

图8 三相短路故障变频器侧A相电流的时域波形图和其对应的频谱图Fig.8 Time-domain waveform and frequency spectrum of A-phase current on converter side with three-phase short circuit fault.

2.4 堵转故障诊断

2.4.1 参数扫描

为寻找极限情况，对故障发生相位和传输线线长进行参数扫描，故障相位扫描结果见图9(a)，传输线线长扫描结果见图9(b)。

图9 参数扫描结果Fig.9 Parameter scanning results

由仿真结果可知，故障相位时刻对于系统的影响不大，线长L=200 m时，定子a、b、c相电流变化最为剧烈。因此，选定线长为200 m的传输线路。

2.4.2 堵转故障数据分析

图10为系统只有一个异步电机处于工作状态时，发生堵转故障变频器侧A相电流的时域波形图和其对应的频谱图。

由图10(a)和图10(d)可以观察到，含有变频器时，与图6、图8发生短路故障时的现象不同，无论是集总参数还是分布参数，故障的产生都不会有上冲现象产生。并且无论是集总参数模型还是分布模型，故障的发生都不会对原有系统产生新的谐波分量。

图10 堵转故障变频器侧A相电流的时域波形图和其对应的频谱图Fig.10 Time-domain waveform and frequency spectrum of A-phase current on converter side with blocking fault

2.5 两台电机同时运行单台电机故障诊断

2.5.1 参数扫描

对故障发生相位和传输线线长进行参数扫描，故障相位扫描结果见图11，传输线线长扫描结果见图12。

图11 故障相位扫描结果Fig.11 Scanning results of fault phase

图12 传输线长扫描结果Fig.12 Scanning results of transmission line length

由仿真结果可知，当两台电机同时运行发生故障时，电机1定子a相电流变化最激烈的情况是α=0°,60°时，电机2定子a相电流变化最激烈的情况是α=60°,120°时。线长L=200 m电机1、电机2的定子a相电流变化最为剧烈。

2.5.2 多台电机运行中单台电机故障数据分析

图13为系统两台电机同时运行时，单台电机发生三相短路故障变频器侧B相电流的时域波形图和其对应的频谱图。

图13 单台电机发生三相短路故障变频器侧A相电流的时域波形图和其对应的频谱图Fig.13 Time-domain waveform and frequency spectrum of A-phase current on converter side with three-phase short circuit fault for single motor

由图13(a)和图13 (d)的比较可知，故障发生时采用集总参数传输线会产生上冲脉冲，而分布参数传输线则会产生阻尼现象。而且集总参数模型较分布参数模型需要较大的调节时间。从图13(b)、图13 (c)、图13 (e)、图13 (f)中可以观察到，无论是正常运行阶段还是故障阶段，集总参数会产生250 Hz、350 Hz的谐波分量，而分布参数则不会。

3 结论

针对传输线路模型的不同，对异步电机系统进行了SIMULINK仿真。首先建立了其简单电路模型，然后通过控制变量法，观察引入变频器和选取传输线路的模型对故障现象产生的影响。研究得到以下结论：

1)采用集总参数模型时所测得雷击过电压的幅值，较分布参数模型所得的电压幅值偏大。

2)故障发生时，传输线采用集总参数模型往往会产生一个较大的上冲信号，而采用分布参数模型却不会。

3)当系统发生三相短路故障时，变频器侧短路电流会产生复杂的振荡现象，而当多电机同时运行，单台电机发生三相短路故障时，短路电流呈现阻尼现象。不同故障类型下传输线分布参数模型所表现出来的现象大不相同。

4)不同故障类型对集总参数模型作为传输线模型的系统影响不大，而对采用分布参数模型的系统有较大影响。